航天器密封結(jié)構(gòu)的壽命影響因素分析

白 燕， 白忠奕， 張 榮， 李海歐， 崔曉航

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司， 北京 100190）

0 引言

密封技術(shù)廣泛存在于我們的生活中， 是古老而又實(shí)用的技術(shù)，航天器中同樣有各種密封結(jié)構(gòu)。航天器產(chǎn)品密封接口大小不一，數(shù)量眾多，如密封艙上的艙門、舷窗、密封分離面和環(huán)控系統(tǒng)的泵、閥、管路等產(chǎn)品。 密封結(jié)構(gòu)的密封性能關(guān)系到航天器的使用壽命， 影響密封的因素是多方面的， 航天器所處的特殊環(huán)境使得影響密封性能的因素有著自身的特點(diǎn)， 通常我們比較關(guān)注非金屬密封材料對(duì)于密封性的影響， 但對(duì)密封配偶件金屬密封件的研究較少， 本文著重介紹了密封配偶件金屬密封零件表面加工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)變形以及裝配過(guò)程等方面對(duì)航天器密封失效的影響。

1 密封結(jié)構(gòu)影響因素

1.1 表面形貌影響

密封結(jié)構(gòu)的表面形貌對(duì)密封失效和泄漏有著不容忽視的影響，如表面紋理、表面微結(jié)構(gòu)、表面粗糙度以及殘余應(yīng)力等。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品進(jìn)入到試驗(yàn)階段時(shí)發(fā)生密封失效或泄漏，查找原因后發(fā)現(xiàn)，很大一部分歸因于密封結(jié)構(gòu)的表面形貌差。

1.1.1 粗糙度影響

密封表面的粗糙度對(duì)于產(chǎn)品的密封性能有著直接的影響。 加工表面總存在一定程度的粗糙度，凹凸不平的密封表面會(huì)在密封端面間形成大大小小的微小孔， 因此并不存在絕對(duì)的密封。 以最常用的金屬密封面和非金屬聚四氟乙烯密封面接觸結(jié)構(gòu)為例， 在一定比壓下這些微小連通的孔，在壓差作用下發(fā)生滲漏現(xiàn)象。 經(jīng)試驗(yàn)，對(duì)于工質(zhì)為液體的靜密封來(lái)說(shuō)， 粗糙度對(duì)于泄漏率的影響趨勢(shì)如圖1 所示。 泄漏率隨著粗糙度的增加而增加，到達(dá)一定數(shù)值后有減小的趨勢(shì)，其原因是隨著粗糙度σ 值的增加，流體通過(guò)密封端面的阻力減小， 當(dāng)粗糙度增加到一定值時(shí)，液體會(huì)形成膜層，泄漏率反而下降[1]，這對(duì)于油密封來(lái)說(shuō)效果更明顯， 一定數(shù)量的波谷能形成油膜， 反而提高密封性能。由此可見(jiàn)， 粗糙度對(duì)密封的影響程度與流體介質(zhì)的種類有很大關(guān)系。

圖1 表面粗糙度σ 對(duì)泄漏率Q 的影響

密封表面的粗糙度對(duì)于動(dòng)密封的影響表現(xiàn)為對(duì)密封面的磨損。從目前應(yīng)用較廣的橡膠為非金屬的密封結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，雖然橡膠密封圈的磨損程度取決于自身粗糙度、耐磨性和自潤(rùn)滑性能，但密封面的粗糙度是橡膠磨損的主要原因。 圖2 為雙O 型密封圈動(dòng)密封結(jié)構(gòu)形式， 在進(jìn)行了約1000 次轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)后，出現(xiàn)漏率超標(biāo)現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)單點(diǎn)漏率檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)雙O 形圈與轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封結(jié)構(gòu)處為泄漏點(diǎn)，轉(zhuǎn)軸與O 型密封圈接觸處有明顯的磨痕，轉(zhuǎn)軸粗糙度不合適是主要原因之一，在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，粗糙表面使O 型圈表面形成應(yīng)力集中點(diǎn)，促使橡膠加速老化，發(fā)生密封失效。

圖2 粗糙度對(duì)密封圈的影響實(shí)物圖

動(dòng)密封金屬表面粗糙度σ 對(duì)于橡膠摩擦系數(shù)μ 的影響（干摩擦）如圖3 所示，在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)隨粗糙度下降而下降，到達(dá)σ 值后不再隨粗糙度減小下降，而是相應(yīng)升高，隨后居于穩(wěn)定值， 當(dāng)摩擦副表面粗糙度減小到微納米級(jí)或原子級(jí)時(shí)，這種現(xiàn)象更加明顯[2]。

由上可見(jiàn)并不是表面越光滑，磨損越小，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)選擇一個(gè)合理的粗糙度值，對(duì)于接觸式機(jī)械密封的優(yōu)化設(shè)計(jì)而言， 選擇合適的粗糙度的大小具有極其重要的意義。

圖3 表面粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響（干摩擦）

1.1.2 表面紋理的影響

密封零件在加工中會(huì)因刀具的軌跡在表面形成一定的紋理，紋理的方向?qū)γ芊庑阅艿挠绊懸膊蝗莺鲆暋?以O(shè)型圈密封為例，如圖4，加工紋理方向與O 型圈為同心圓，則有利于密封，紋理方向垂直于密封圈（徑向紋理）則不利于密封，如果密封圈垂直于加工紋理方向并且有滑動(dòng)將加劇磨損，因此，在不可避免刀具加工痕跡的情況下，盡量選擇有利于密封性能的刀具紋路，例如環(huán)形的密封面或密封槽要盡量采用車加工，其刀具痕跡沿環(huán)向。

圖4 O 型密封圈與密封面加工紋理方向

1.2 密封的結(jié)構(gòu)尺寸影響

航天器密封的結(jié)構(gòu)尺寸除了考慮與密封件的匹配外還應(yīng)該考慮密封件在高、低溫情況下的特性。如果密封件在高溫時(shí)膨脹，就應(yīng)該讓設(shè)計(jì)尺寸稍大，以免高溫時(shí)密封件溢出密封槽，與密封面產(chǎn)生咬噬[3]，但尺寸過(guò)大使間隙增大，會(huì)減小預(yù)壓縮變形量，影響密封性能。 以密封法蘭的密封結(jié)構(gòu)為例， 如果密封槽的容積小于橡膠密封圈的體積，如圖5（a），很容易出現(xiàn)螺栓擰緊后，壓縮比增大，橡膠圈被擠出密封槽，從而產(chǎn)生很大的永久變形，甚至被壓壞，所以密封槽容積應(yīng)該考慮高低溫對(duì)于密封件的影響。

合理確定動(dòng)密封面配合間隙能有效提升密封結(jié)構(gòu)壽命。 當(dāng)動(dòng)密封面配合間隙過(guò)大時(shí)，由于壓差的作用，可能使密封圈被擠出密封槽而破壞影響密封，見(jiàn)圖5（b），密封面配合間隙過(guò)小如上圖2，轉(zhuǎn)軸和法蘭因摩擦產(chǎn)生金屬顆粒落入密封圈接觸面，加速破壞橡膠密封圈，使密封失效。

圖5 密封槽結(jié)構(gòu)尺寸的影響

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮裝配密封圈所需要的導(dǎo)向圓角，如使用梯形槽懸掛密封圈時(shí)，若懸掛槽的銳邊沒(méi)有倒鈍， 在壓縮密封圈時(shí)容易使密封圈劃傷甚至產(chǎn)生裂紋而遭到破壞（如圖5c），因此加工時(shí)必須將銳邊毛刺修光。密封結(jié)構(gòu)中相貫孔的倒圓尺寸大小也是一個(gè)不易忽視的重要環(huán)節(jié)，如圖6 相貫孔中倒圓過(guò)小，旋轉(zhuǎn)密封體經(jīng)過(guò)孔口時(shí)，密封體被破壞，造成密封失效。

圖6 圓角尺寸不合理導(dǎo)致密封圈受損

1.3 結(jié)構(gòu)變形影響

密封結(jié)構(gòu)變形主要有以下原因：

（1）應(yīng)力變形：密封結(jié)構(gòu)在加工過(guò)程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生應(yīng)力，如裝卡、切削、焊接、裝配等，應(yīng)力的存在必然會(huì)影響密封結(jié)構(gòu)的尺寸精度， 因此需要在研制過(guò)程中消除應(yīng)力的影響。

圖7 門體密封面的壓差變形

（2）壓差變形：以艙體艙門結(jié)構(gòu)為例（如圖7），門體、門框在地面加工并裝配調(diào)試后， 在等壓環(huán)境條件下其密封面平面度達(dá)到要求，但在空間真空環(huán)境條件下，由于艙體內(nèi)外存在壓差，必然會(huì)使得門體或門框產(chǎn)生變形，其密封面的平面度發(fā)生變化，密封圈壓縮比隨著變化，從而影響艙體密封性能。

（3）負(fù)荷差變形：負(fù)荷差變形主要發(fā)生在有復(fù)雜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的密封結(jié)構(gòu)中，因負(fù)荷不均勻致使密封體發(fā)生變形，如圖8 艙門在密封壓緊時(shí)，壓緊力呈多（6 個(gè)）點(diǎn)分布，壓緊力作用點(diǎn)和非作用點(diǎn)之間存在負(fù)荷差， 在兩個(gè)壓緊力作用點(diǎn)之間，門體產(chǎn)生波形變形，試驗(yàn)表明：外徑為90cm的門體，橡膠密封圈壓縮比為11%左右時(shí)，門體波形變形量一般為0.1～0.2mm，使變形處的密封圈壓縮比減小3%左右；而在門軸處的門框變形更大，達(dá)到0.3mm 左右，使壓縮比減少更多。

（4）溫差變形。溫差變形是指因高低溫交變， 材料的熱性能出現(xiàn)差異使得結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性差異更大， 由此引起密封結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)變形，使密封狀況惡化。 對(duì)于在軌運(yùn)行的航天器， 受太陽(yáng)輻射不均而導(dǎo)致空間站各部分溫差很大， 溫差變形是影響航天器密封性能的不可避免的因素。

因此， 除考慮采取必要的技術(shù)措施來(lái)減少結(jié)構(gòu)變形對(duì)密封的影響外， 在確定密封件的壓縮比時(shí)應(yīng)充分考慮到密封件壓縮比對(duì)結(jié)構(gòu)變形的適應(yīng)性， 以確保密封性能要求。

圖8 門體負(fù)荷差變形示意圖

1.4 裝配精度的影響

裝配精度對(duì)于密封性能的影響， 很大程度來(lái)自于人為因素，涉及密封結(jié)構(gòu)的裝配需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）裝配前檢查密封面、槽、密封件是否有劃痕，孔內(nèi)、槽內(nèi)毛刺是否清理干凈，排除零件加工缺陷的影響。

（2）裝配前對(duì)密封零件進(jìn)行清洗，去除多余物的影響。碳鋼、銅質(zhì)類零件不應(yīng)用液體清洗，防止快速氧化，僅用無(wú)塵拭布進(jìn)行擦拭后再用氣體吹除多余物。

（3）軸孔裝配時(shí)，需要保證密封耦（軸、孔）件中心線重合，尤其是動(dòng)密封，同軸度差會(huì)導(dǎo)致密封圈壓縮率不一致。 當(dāng)一個(gè)方向壓縮率增加， 相對(duì)方向的壓縮率就會(huì)減少，可能導(dǎo)致密封失效，同時(shí)，壓縮率增加的部位磨損速度增加，甚至使密封圈產(chǎn)生扭曲變形，減少密封壽命。

（4）密封件通過(guò)軸、孔類通道時(shí)，應(yīng)注意防止密封面被劃傷，如剛性軸裝入時(shí)將孔密封面劃傷、非金屬密封件更要注意，必要時(shí)應(yīng)使用裝配保護(hù)工裝。

（5）對(duì)于法蘭密封結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)注意裝配壓緊力的均勻性。

2 結(jié)束語(yǔ)

不同的密封結(jié)構(gòu)形式， 不同的使用環(huán)境使得影響密封壽命的主要因素也不相同. 本文從多個(gè)維度對(duì)影響接觸性密封結(jié)構(gòu)的密封面進(jìn)行分析， 總結(jié)了密封配偶金屬面的表面粗糙度、紋理與密封性的關(guān)系；對(duì)密封槽從容積的角度分析了尺寸合理的重要性； 從多方面對(duì)引起密封面變形的原因進(jìn)行了分析，并提出優(yōu)化建議；對(duì)裝配過(guò)程可能造成密封泄露的環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹， 可作為長(zhǎng)壽命密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借鑒。隨著火箭運(yùn)載能力的提升，航天器密封艙結(jié)構(gòu)尺寸也越來(lái)越大， 如何保證密封面的形位公差精度，減小變形對(duì)密封的影響，以及不同表面處理方式后因密封表面的性能與基體不同對(duì)于密封性的影響等問(wèn)題，都對(duì)于大型航天器密封結(jié)構(gòu)的密封性提出了新的要求。